Новый подход к устойчивой диверсификации севооборотов
Системы земледелия — ключевой компонент растениеводства, который интенсифицируют для растущего населения планеты. Ранее исследования фокусировались на высокой урожайности, уделяя меньше внимания производству питательных веществ и витаминов для рациона человека. Со времен Зеленой революции на Северо-Китайской равнине (NCP) доминирует система двойного посева озимой пшеницы и летней кукурузы. Это привело к росту внесения удобрений, пестицидов и орошения для производства зерна в целях продбезопасности, но также к резкому истощению грунтовых вод и ряду экологических проблем, например, загрязнению воды.
Чтобы достичь множественных целей — высокой урожайности, хорошего качества и меньшего забора грунтовых вод, ученые из Wageningen University & Research и Китайского сельскохозяйственного университета создали многокритериальную модель оптимальности. Она формирует новую конфигурацию для 30 видов диверсифицированных систем земледелия, практикуемых на NCP на региональном уровне, чтобы согласовать компромиссы между экономическими показателями, продбезопасностью и экологическими результатами. Исследование опубликовано в Frontiers of Agricultural Science and Engineering.
На основе базы данных систем земледелия, составленной Yang et al. (2021), Jeroen C. J. Groot (Wageningen University & Research) и Yang (Китайский сельскохозяйственный университет) оценили показатели 30 севооборотов: урожайность, экономическую выгоду, потребление грунтовых вод, витамин C, пищевую энергию и выход кормов. Для выявления потенциальных многокритериальных кооперативных систем использовали метод главных компонент (PCA) и иерархический кластерный анализ (HCA). Для многокритериальной оптимизации и получения реконфигурации диверсифицированных систем земледелия с учетом компромиссов и синергий на региональном уровне применяли эволюционный алгоритм дифференциальной эволюции и модель оптимизации по Парето.
Результаты показали, что разные системы земледелия различаются по оцениваемым показателям. Наблюдалась синергия между экономическим доходом и пищевой ценностью, диетической энергией и производством кормов, но это сопровождалось снижением уровня грунтовых вод. Витамин C имел отрицательную корреляцию с производством кормов. Поэтому для региональной корректировки и оптимизации структуры посевов критически важно учитывать многокритериальные компромиссы и синергию, чтобы удовлетворить потребности людей в лучшей и здоровой жизни.
Учитывая компромиссы и синергию между снижением уровня грунтовых вод, диетической энергией, экономической выгодой, витамином C и выходом кормов, исследователи предложили решения по оптимизации реконфигурации структуры посевов на основе диверсифицированных систем земледелия, а не просто площадей под определенной культурой. Это новый и важный аспект их работы. Предлагается, чтобы будущие исследования по оптимизации структуры посевов были напрямую нацелены на потенциальные системы земледелия, а не на простую площадь посева одной культуры. Китай — типичная страна с системами многократных посевов, которые повышают продуктивность за счет увеличения индекса урожайности. Крайне важно полностью учитывать временную и пространственную конфигурацию различных севооборотов и комбинаций культур.
Таким образом, они предложили новый взгляд на региональную корректировку структуры посевов:
- Необходимо проводить многокритериальную комплексную оценку систем земледелия, учитывая урожайность зерна, экономическую выгоду, экологию, здоровое питание и здоровье почвы. Это положительно способствует устойчивому развитию сельского хозяйства.
- Следует постоянно улучшать и обновлять алгоритмы оптимизации (генетические алгоритмы, метод Монте-Карло, алгоритмы нечеткого программирования, многокритериальная оптимизация по Парето), нацеленные непосредственно на систему земледелия, а не на простую площадь посева одной культуры. Объектом исследования является оптимальность диверсифицированной системы земледелия, что подразумевает конфигурацию культур во времени и пространстве на региональном уровне. Использованная в работе модель Farm Design Model (Groot et al., 2012) на основе оптимизации по Парето доказала свою эффективность для реконфигурации посевов и служит важным ориентиром для политиков при корректировке структуры посевов на разных уровнях.
- Также необходимо срочно уделить внимание многокритериальной оптимизации и реконфигурации систем земледелия в условиях будущих климатических сценариев для повышения устойчивости фермерских систем.